设有内部除热元件的耗材组件的制作方法

本公开主要涉及等离子电弧切割焊炬，更具体地，本公开涉及设计有内部除热元件的等离子焊炬耗材组件。

背景技术：

等离子电弧焊炬广泛用于切割金属材料，并且可以在机械化系统中使用以用于自动加工工件。等离子电弧系统可以包括等离子电弧焊炬、关联电源、定位装置和关联控制器。等离子电弧焊炬和工件中的至少一个可以安装在定位装置上，该定位装置提供焊炬和工件之间的相对运动以便沿着加工路径引导等离子电弧。

等离子焊炬通常包括电极、安装在焊炬本体内的具有中心出口孔的喷嘴、电连接件、用于冷却的通道、用于电弧控制流体(例如等离子气体)的通道、以及电源。焊炬产生等离子电弧，其是具有高温和高动量的气体的受限电离射流。在焊炬中使用的气体可以是非反应性的(例如氩气或氮气)或反应性的(例如氧气或空气)。在操作中，首先在电极(阴极)和喷嘴(阳极)之间产生引导电弧。引导电弧的生成例如可以借助于耦联到dc电源和焊炬的高频高压信号。

等离子电弧焊炬的某些部件会随着使用时间的推移而劣化。这些“耗材”部件包括电极、涡流环、喷嘴和护罩。理想地，这些部件易于在现场更换。然而，有效地和高效地冷却焊炬内的这些耗材的能力对于确保合理的耗材寿命和切割质量而言至关重要。

由于高腐蚀速率(例如，当等离子电弧焊炬以大于约350安培的电流操作时)导致的短电极寿命是许多机械化等离子电弧切割系统的常见问题。这样的短电极寿命主要是由电极处的冷却限制以及电极的材料性质引起的。例如，电极磨损通常会导致切割质量下降。这就要求频繁更换电极以实现合适的切割质量。

技术实现要素：

鉴于前述内容，本领域需要一种等离子电弧焊炬的耗材组件，其通过使用内部除热元件和配置成将等离子电弧焊炬的所有气体输送到电极内腔的流体导管而具有改善的冷却能力。本文的示例性方案提供了一种耗材组件，其具有喷嘴和设置在喷嘴内部的电极。所述电极可以包括：在其中形成有一个或多个流体通道的侧壁、从所述侧壁的远端延伸的端壁、以及由所述侧壁的内表面和所述端壁的内表面限定的中心腔，其中所述中心腔在所述电极的远端和近端之间延伸。所述电极还可以包括从所述侧壁的内表面延伸到所述中心腔中的突起。在一个实施例中，所述耗材组件包括在所述电极的近端处的电流和气体导管，所述电流和气体导管包括与所述电极径向对准的内孔，其用于将等离子气体、保护气体和排出气体共同输送到电极的中心腔中。

根据本公开的一种方案包括一种用于等离子电弧焊炬的耗材，所述耗材具有喷嘴、以及设置在喷嘴内部的电极，其中所述电极包括侧壁，所述侧壁包括穿过侧壁而形成的一个或多个流体通道。所述电极还包括从所述侧壁的远端延伸的端壁，以及由所述侧壁的内表面和所述端壁限定的中心腔，其中所述中心腔从所述电极的近端延伸到所述电极的远端。所述电极还包括从所述侧壁的内表面延伸到所述中心腔中的突起。

根据本公开的另一种方案包括一种冷却耗材组件的方法，所述方法包括在喷嘴的内部设置电极，所述电极具有近端和远端。所述电极还包括在电极的近端和远端之间延伸的侧壁，以及从所述侧壁延伸的端壁。所述电极还包括由所述侧壁的内表面和所述端壁的内表面限定的中心腔，其中所述中心腔从所述电极的近端延伸到远端，以及从所述侧壁的内表面延伸到所述中心腔中的突起，其中所述突起和所述侧壁的内表面限定冷却剂通道。所述方法还包括将流体引导到所述电极的中心腔中，其中所述流体包括等离子气体、保护气体和排出气体。

根据本公开的又一种方案包括一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极具有侧壁，所述侧壁包括穿过侧壁而形成的一个或多个流体通道，以及从所述侧壁的远端延伸的端壁，其中所述端壁包括形成在其中的发射插件。所述电极还可以包括由所述侧壁的内表面和所述端壁的内表面限定的中心腔，其中所述中心腔从所述电极的近端延伸到所述电极的远端，以及从所述侧壁的内表面径向延伸到所述中心腔中的热交换元件，其中所述热交换元件和所述侧壁的内表面形成冷却剂通道的一部分。

附图说明

附图示出了本公开的示例性方案，包括本公开的原理的实际应用，并且其中：

图1是根据本公开的示例性方案的等离子电弧焊炬的一部分的侧剖视图；

图2是根据本公开的示例性方案的图1的等离子电弧焊炬的电极的侧剖视图；

图3是根据本公开的示例性方案的等离子电弧焊炬的一部分的侧剖视图；以及

图4是示出根据本公开的示例性方法的流程图。

附图不一定是按比例绘制。附图仅仅是图解，并非旨在表达本公开的具体参数。此外，附图旨在示出本公开的示例性实施例，因此不应被认为是对范围的限制。

此外，为了说明清楚，一些图中的某些元件可以省略或者不按比例地图示。为了说明清楚，横截面图可以是“切片式”或“近距离观察”的横截面图的形式，省略了本应在“真实的”横截面图中可见的某些背景线。此外，为了清楚起见，在某些附图中可以省略一些附图标记。

具体实施方式

现在将参考附图介绍本公开，在附图中示出了各种方案。然而，应当理解，所公开的焊炬手柄能够以许多不同的形式实施，并且不应当被解释为受限于本文阐述的方案。相反地，提供这些方案是为了使本公开彻底和完整，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。

等离子电弧焊炬通常利用包括由高导热率材料(例如，铜、铜合金、银等)构成的细长管状构件的电极。管状电极的前端或排出端包括底端壁，所述底端壁具有嵌入其中的支撑电弧的发射元件。电极的相对端部可以通过针对电极保持器的可释放连接(例如，螺纹连接)耦联在焊炬中。电极保持器通常是细长结构，其通过在与保持电极的端部相对的端部处的螺纹连接保持到焊炬本体。电极保持器和电极限定用于将电极保持到电极保持器的螺纹连接。

电极的发射元件由具有相对低的功函的材料组成(功函在本领域中被定义为以电子伏特(ev)测量的电势阶跃)，其在给定温度下促进来自金属表面的热电子发射。鉴于该低功函，因此当向发射元件施加电势时，该发射元件能够容易地发射电子。通常使用的发射材料包括铪、锆、钨及其合金。

喷嘴围绕电极的排出端并提供用于朝向工件引导电弧的路径。为了确保在常规的转移电弧操作期间通过喷嘴而不是从喷嘴表面发射电弧，电极和喷嘴相对于彼此保持在不同的电势。因此，重要的是喷嘴和电极是电分离的，并且这通常通过在部件之间保持预定的物理间隙来实现。限定间隙的体积通常填充有流动空气或在焊炬操作中使用的一些其他的气体。

等离子电弧产生的热量很大。经受最强烈加热的焊炬部件是电极。为了改善等离子电弧焊炬的使用寿命，通常希望将焊炬的各种部件保持在尽可能低的温度。在一些焊炬中，通过电极保持器形成通道或孔，并且诸如水的冷却剂循环通过该通道以在内部冷却电极。

即使使用水冷却，电极也寿命有限并且被认为是耗材部件。因此，在正常操作过程中，焊炬操作者必须通过首先移除喷嘴并随后从电极保持器松脱电极来周期性地更换消耗的电极。然后将新电极拧接到电极保持器上并重新安装喷嘴，使得等离子电弧焊炬可以恢复操作。

因此，需要通过更高效地冷却电极来增加电极的使用寿命，同时保持电极和电极保持器的低制造成本。为了满足该需要，本文的示例性方案提供了一体式空气冷却电极，其通过利用内部热交换元件(例如，翅片)并通过控制在内部通过电极、跨越热交换元件的所有空气的流动来提供发射元件的最大冷却。内部热交换元件用作散热器，由于增加的质量流速而导致改善的电极冷却。与先前的设计相比，该结构提供了等离子电极的明显更高的气体冷却。此外，利用了所有的气流、内部翅片和最大温差的组合极大地改善了电极的冷却。

现在参考图1-2，将更详细地描述根据本公开的实施例的等离子电弧焊炬100的一部分。如图所示，等离子电弧焊炬(下文中称为“焊炬”)100包括耗材102，所述耗材包括喷嘴104和设置在喷嘴104内部的电极106。喷嘴104可以在喷嘴104的一对肩部区域110处耦联到保护帽108。在其间形成的是保护气体通道112，其配置成将保护气体朝向喷嘴104的远端114输送，正如下面将更详细描述的那样。电极106可以通过分隔件115与喷嘴104分离。在示例性实施例中，喷嘴104将等离子气体引导到切割孔170以帮助在工件上执行加工操作。

如图所示，电极106可以包括侧壁116和从侧壁116的远端120延伸的端壁118。端壁118可以包括在电极106的远端124处、例如在其中心区域中形成的发射插件122。电极106还包括在电极106的内孔内的中心腔126，该中心腔126例如沿着纵向轴线‘x’从电极106的近端127延伸到电极106的远端124。如图所示，中心腔126可以由侧壁116的内表面130和端壁118的内表面132限定。

电极106还包括从侧壁116的内表面130延伸到中心腔126中的突起135。在一些实施例中，突起135可以是沿着内表面130螺旋地延伸并向内朝向中心腔126延伸的一个除热元件(例如翅片)或多个除热元件。突起135有利地提供了朝向电极106的远端124的一个或多个附加冷却表面，使得流动通过电极106的冷却流体更有效。如图所示，突起135可以延伸通过冷却剂通道144，所述冷却剂通道由侧壁116的内表面130和设置在中心腔126内的冷却剂导管140的外表面限定。

在一些实施例中，冷却剂导管140是沿着纵向轴线‘x’在中心腔126内延伸的圆柱形管，其配置成朝向电极106的端壁118输送流体138(例如，保护气体、等离子气体和排出气体)。冷却剂导管140可以在每个端部处开口，并且包括外表面141和内表面142，外表面141与电极106的侧壁116的内表面130一起限定冷却剂通道144。在各种实施例中，突起135可以部分地或完全地跨越冷却剂通道144朝向冷却剂导管140延伸。在突起135一体地耦联到冷却剂导管140的外表面141的情况下，冷却剂通道144内的流体被迫使以螺旋方式围绕电极106涡流，由此增加冷却。在突起135仅直接连接到侧壁116或仅直接连接到冷却剂导管的外表面141的情况下，流体138可以简单地在突起135上/在突起135周围经过。

在一些实施例中，突起135和冷却剂通道144的翅片可以围绕侧壁116的内表面130等距地间隔开。在其他实施例中，突起135和冷却剂通道144的翅片围绕侧壁116和/或冷却剂导管140不等距地间隔开。突起135和冷却剂通道144的翅片的间距还可以取决于电极106和/或焊炬100的特定冷却需求(例如，防止电极过早失效)或满足那些冷却需求所需的表面积而变化。突起135和冷却剂通道144的配置可以在很大程度上取决于具体的等离子焊炬设计。对于具体应用，可以使用常规流体建模软件对热交换元件进行建模。在一些实施例中，突起135和冷却剂通道144的具体配置取决于电极和/或冷却剂导管140的几何形状。

突起135可以弯曲地连接到侧壁116的内表面130和/或冷却剂导管140。在一些实施例中，突起135与电极106的侧壁116一体形成(例如，通过冲压或热挤出或冷挤出工艺)，并且在突起135与侧壁116的内表面130连结的位置处和/或该位置附近具有弯曲(例如，圆形)表面。突起135也可以弯曲地连接到冷却剂导管140的外表面141。在一些实施例中，突起135与冷却剂导管140的外表面141一体形成(例如，通过冲压或热挤出或冷挤出工艺)，并且突起135可以在突起135与冷却剂导管140的外表面141连结的位置处和/或该位置附近具有弯曲(例如，圆形)表面。(一个或多个)弯曲表面可以增加突起135的表面积以提供突起135和/或冷却剂通道144和冷却气体之间的附加热传递。

如图所示，焊炬100还包括耦联在电极106的近端127处的电流和气体导管(下文中称为“气体导管”)150。如图所示，气体导管150包括内孔152，其沿着纵向轴线‘x’与电极106的腔126大致径向对准。气体导管150延伸到冷却剂导管140，并且可以具有附接表面151(例如，螺纹或压配合表面)，用于将气体导管150固定到电极106的内表面130。气体导管150的一对肩部区域154在电极106的近端127上延伸以限制气体导管朝向电极106的远端124移动。在一个实施例中，气体导管150是焊炬100的焊炬本体的一部分，或者是耦联到焊炬本体的独立部件。

仍参考图1-2，将更详细地描述根据示例性实施例的用于冷却电极106的方案。在焊炬100的启动期间，在电极106和喷嘴104的远端114之间建立电压电势差，使得电弧跨越其间的间隙而形成。然后，等离子气体流动通过喷嘴104，并且从切割孔170向外吹送出电弧，直至电弧附接至工件，此时喷嘴104与电源断开，使得电弧存在于电极106和工件之间。然后，焊炬100处于操作中的加工模式。

为了控制正在进行的加工操作，已知使用诸如保护气体的控制流体以涡流气幕围绕电弧。不同于各种气体在电极外侧掠过电极的各个区域的传统方案，本公开的实施例通过将所有流体138引导到电极的中心腔126中来确保最大的流体流速，并因此确保冷却。如图所示，等离子气体、保护气体和排出气体全部供应到气体导管150。具体地，在电极106的近端127处接收流体138，然后通过冷却剂导管140朝向电极106的远端124处的端壁118引导流体138。如指示箭头所示，流体138可以冲击端壁118的内表面132，并且朝向电极106的侧壁116侧向移动，然后进入冷却剂通道144。在一个实施例中，电极106包括沿着端壁118的内表面132居中定位的偏转器158。偏转器158可以包括由中心点162分离的一对凹槽160以便于流体138分流并朝向冷却剂通道144被重新引导。

一旦流体138进入冷却剂通道144，它就沿着突起135在冷却剂导管140的外表面141和电极的侧壁116的内表面130之间行进。在示例性实施例中，流体138在朝向电极106的近端127的方向(例如，当焊炬100和电极106如图1-2所示取向时的向上方向)上行进通过冷却剂通道144。然后，流体138可以通过穿过电极106的侧壁116而形成的一个或多个电极通道164离开，其中流体138相应地在电极106和喷嘴104之间形成的通道166内被朝向电极106的远端124引导。如图所示，电极通道164沿着纵向轴线‘x’定位在突起135和电极106的近端127之间，以允许流体138在经过突起135之后离开电极106。在一些实施例中，电极通道164可以是相对于纵向轴线‘x’围绕电极106沿径向均匀间隔开的多个槽。

在示例性实施例中，流体138在其离开电极通道164时分流，由此保护气体‘sg’通过穿过喷嘴104而形成的一个或多个喷嘴通道168离开，并且进入保护气体通道112。在一个实施例中，一个或多个喷嘴通道168可以相对于彼此偏移地形成，例如沿着垂直于纵向轴线‘x’的平面形成，以增强保护气体的涡流。同时，等离子气体‘pg’围绕通道166内的电极106的外部行进并朝向穿过喷嘴104而形成的切割孔170行进。在一些实施例中，过量的等离子气体可以在到达切割孔170之前通过辅助喷嘴孔172排出，以进一步增加喷嘴104的远端114的冷却。

现在转向图3，将更详细地描述根据本公开的另一实施例的等离子电弧焊炬200的一部分。如图所示，等离子电弧焊炬(下文中称为“焊炬”)200包括先前针对图1-2的焊炬100描述的许多或所有的特征。因而，为了简洁起见，下文将仅描述焊炬200的某些方面。在该实施例中，焊炬200包括耗材组件202，所述耗材组件包括喷嘴204和设置在喷嘴204内部的电极206。如图所示，电极206可以包括侧壁216和从侧壁216的远端220延伸的端壁218。电极206还包括在电极206的内孔内的中心腔226，该中心腔226沿着纵向轴线‘x’从电极206的近端227延伸到电极206的远端224。中心腔226由侧壁216的内表面230和端壁218的内表面232限定。

电极206还包括从侧壁216的内表面230延伸到中心腔226中的突起235。在一些实施例中，突起235可以是沿着内表面230螺旋地延伸并径向延伸到中心腔226中的一个除热元件(例如翅片)或多个除热元件。突起235可以延伸到设置在中心腔226内的柱255，如图所示。

更具体地，在一些实施例中，可以由诸如铜的导热材料形成的柱255是沿着电极206的端壁218的内表面232布置的实心元件。柱255包括外表面257和端表面259，外表面257与电极206的侧壁216的内表面230一起限定冷却剂通道244。在示例性实施例中，突起235在侧壁216和柱255之间延伸，完全跨越冷却剂通道244。在其他实施例中，突起235可以朝向柱255部分地延伸跨越冷却剂通道244。在突起235与柱255的外表面257接触的情况下，冷却剂通道244内的流体238可以被促使以螺旋方式围绕电极206涡流，从而增加电极206的冷却。在突起235仅直接连接到侧壁216或仅直接连接到柱255的外表面257的情况下，流体238可以简单地在突起235上/在突起235周围经过。

在使用焊炬200期间，等离子气体、保护气体和排出气体全部供应到气体导管250。与等离子气体、保护气体和排出气体气体均输送到焊炬200的不同区域的传统方案不同，本公开的实施例通过经由气体导管250将所有流体238引导到电极206的中心腔226中来确保最大的流体流速并因此确保冷却。具体地，等离子气体、保护气体和排出气体在电极206的近端227处混合以形成组合流体238，然后将所述组合流体通过中心腔226朝向柱255的端表面259引导。如指示箭头所示，流体238可以冲击柱255，然后流体在该处分流并朝向电极206的侧壁216被侧向引导到冷却剂通道244中。在一个实施例中，柱255的端表面259包括成角表面和/或圆角以使流体238分流并朝向冷却剂通道244侧向推送。

一旦流体238进入冷却剂通道244，流体就沿着突起235在柱255的外表面257和侧壁216的内表面230之间行进。在示例性实施例中，流体238在朝向电极206的远端224的方向上行进通过冷却剂通道244。然后，流体238可以通过穿过电极206的侧壁216而形成的一个或多个电极通道265离开，在此流体238相应地被朝向电极206的远端224引导通过形成在电极206和喷嘴204之间的通道266。在示例性实施例中，流体238在其离开电极通道265时分流，由此保护气体‘sg’被朝向电极的近端227输送并通过穿过喷嘴204而形成的一个或多个喷嘴通道268离开。同时，等离子气体‘sg’围绕通道266内的电极206的外部行进并朝向穿过喷嘴204的远端214形成的切割孔270行进。在一些实施例中，过量的pg可以在到达切割孔270之前在辅助喷嘴孔272处排出，以进一步增加喷嘴204的远端214的冷却。

现在转向图4，将更详细地描述根据本公开的实施例的用于冷却等离子电弧焊炬的耗材组件的工艺流程300。如图所示，工艺流程300包括在喷嘴的内部设置电极，如模块301所示。在一些实施例中，电极包括侧壁、从侧壁延伸的端壁、以及由侧壁的内表面和端壁的内表面限定的中心腔，其中，中心腔从电极的近端延伸到远端。电极还可以包括从侧壁的内表面延伸到中心腔中的突起，突起和侧壁的内表面限定冷却剂通道的一部分。在一些实施例中，突起是围绕侧壁的内表面螺旋地延伸的热交换元件(例如，一个翅片或多个翅片)。

工艺流程300还可以包括将流体引导到电极的中心腔中，如模块303所示，其中流体包括等离子气体、保护气体和排出气体。在一个实施例中，焊炬包括布置在电极的近端处的电流和气体导管，其中电流和气体导管包括与电极的腔径向对准的内孔，用于接收等离子气体、保护气体和排出气体并且然后将这些气体输送到电极的中心腔中。

工艺流程300还可以包括将流体通过腔朝向电极的端壁引导，如模块305所示。在一个实施例中，冷却剂导管布置在中心腔内，用于朝向端壁引导气体的流动。在一个实施例中，柱布置在中心腔内，其中，柱与突起和电极的端壁的内表面接触。在一个实施例中，电极的端壁包括沿其内表面延伸的偏转器，该偏转器包括突出到腔中的中心点以将流体朝向冷却剂通道引导。

工艺流程300还可以包括在从电极的远端朝向电极的近端的方向上重新引导流体通过冷却剂通道，如模块307所示。在一个实施例中，流体螺旋地围绕冷却剂导管涡流。

工艺流程300还可以包括将来自冷却剂通道的流体引导通过穿过电极的侧壁而形成的一个或多个电极通道，如模块309所示。在一个实施例中，保护气体从一个或多个电极通道引导到在电极和喷嘴之间形成的保护气体通道。在一个实施例中，等离子气体被引导通过一个或多个电极通道并进入在电极和喷嘴之间形成的通道。

应当理解，通过本公开的实施例至少实现了以下益处。第一，由于较大的温差和增加的质量流速，使用所有的气流以用可能是最冷的气体冷却电极来产生最大量的冷却。第二，通过沿着气流路径设置热交换元件的翅片，由于增加了表面积而进一步增强热传递。第三，内部冷却剂通道和由此得到的流体在电极内的重新引导增加了流体存在于电极内并与(一个或多个)除热元件进行热交换的时长。

尽管已经参考某些方案描述了本公开，但是在不脱离如所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对所述的方案进行多种修改、变型和改变。因此，应当理解，本公开不限于所述的方案，而是应具有由所附权利要求的语言及其等同方案限定的完整范围。尽管已经参考某些方案描述了本公开，但是在不脱离如所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对所述的方案进行多种修改、变型和改变。因此，应当理解，本公开不限于所述的方案，而是应具有由所附权利要求的语言及其等同方案限定的完整范围。

如本文所使用的，以单数形式叙述并且前面用词语“一”或“一个”限定的元件或操作应当被理解为不排除多个元件或操作，除非明确地表明了这样的排除。此外，对本公开的“一种方案”的引用不应被解释为排除了也包含所述特征的其他方案的存在。

此外，本文可以使用空间相对术语例如“下方”、“下”、“下部”、“中心”、“上方”、“上部”等以便于描述如图所示的一个元件与(一个或多个)其他元件的关系。应当理解，除了如图所示的取向之外，空间相对术语可以涵盖装置在使用或操作中的不同取向。